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Denitrierung von Abgasen
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Denitierung von Abgasen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Ein solches Verfahren zur NOy-Abscheidung kann bei allen Abgasen angewendet
werden, gleichgültig ob es sich um Abgase aus einer Verbrennungsmaschine oder einer
Verbrennungsanlage handelt. Unabhängig hiervon ist auch, welche Brennstoffe diesen
Einrichtungen zugeführt werden.
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Aus der Informationsschrift Staub - Reinhaltung der Luft", Band 40
(1980) Nr. 4, April, Seiten 139 ff." ist ein Naßverfahren zur NOx-Abscheidung beschrieben.
In einem relativ aufwendigen ersten Verfahrensschritt wird NO mit Ozon oder einer
alkalischen Permanganatlösung aufoxidiert. Nach der Absorption der dann hauptsächlich
vorliegenden höheren Oxidationsstufen erfolgen Regeneration der Waschflüssigkeit
und der Abwasserbehandlung. Ein solches Verfahren ist vorwiegend zur Reinigung von
Abgasen aus Salpetersäureanlagen konzipiert.
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Aus der gleichen Druckschrift (1980) Nr. 7, Juli ist ein
Trockenverfahren
zur ausschließlichen NOx-Abscheidung bekannt. Trockenverfahren zur NOx-Abscheidung
beruhen in der Regel auf der Reduktion des NOx zu N2 und H20, wobei als Reduktionsmittel
insbesondere Ammoniak verwendet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben,
mit dem auf einfachere und kostengünstigere Weise als bei bekannten Verfahren die
Denitierung von Abgasen ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch
8 offenbart.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine kostensparende Denitrierung
der Abgase möglich, da für die Durchführung desselben weder Ozon noch Ammoniak erforderlich
sind. Das Verfahren kann auf engem Raum, insbesondere innerhalb des Abgaskanals
durchgeführt werden, der sich an die Verbrennungsmaschine bzw. an die Verbrennungsanlage
anschließt. Die Bereitstellung von N-Atomen erfolgt mit Hilfe eines speziell hierfür
ausgebildeten Generators. Ein solcher Generator ist kann beispielsweise durch eine
Plasmaquelle oder einen Plasmajet gebildet werden. Mit Hilfe einer Mikrowellenentladung,
einer Bogenentladung oder einer Funkenentladung sowie einer stillen Entladung bzw
einer Koronaentladung, einer energiereichen Fotoquelle oder einer Anordnung zur
Erzeugung von Ozon können N-Atome in ausreichender Mengen hergestellt werden. Dem
Generator wird Stickstoffgas oder ein Teil des zu reinigenden
Abgases
selbst zugeführt, aus dem er dann N-Atome erzeugt. Die Verwendung des Abgases zur
Herstellung von N-Atomen ist deshalb möglich, da die Verbrennungsanlagen bzw. Verbrennungsmaschinen,
aus denen die Abgase stammen im allgemeinen bei einer Luftzahl Lambda gefahren werden,
die nahe bei 1 liegt, so daß ein geringer 02-Uberschuß von 1 bis 3 % vorhanden ist.
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Die Menge der zu erzeugenden N-Atome wird in Abhängigkeit von der
NO-Konzentration ermittelt. Diese Messung wird erfindungsgemäß stormaufwärts und
stromabwärts bzw.
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stromaufwärts oder abwärts des die N-Atome erzeugenden Generators
durchgeführt. Die ermittelten Meßsignale werden in einer Steuer- und Regeleinrichtung
ausgewertet, an welche der Generator für N-Atome angeschlossen ist.
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Die Steuerung und Regelung der zu erzeugenden N-Atome erfolgt in Abhängigkeit
der momentanen NO-Konzentration des ungereinigten Abgases. Die Menge der erzeugten
N-Atome ist direkt proportional zum gemessenen NO-Wert.
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Abweichend von dieser Möglichkeit kann die Steuerung und Regelung
der zu erzeugenden Menge an N-Atomen auch durch eine NO-Konzentrationsmessung im
gereinigten Abgas erfolgen. In diesem Fall wird die Menge der N-Atome so erzeugt,
daß der NO-Wert im gereinigten Abgas einen Minimalwert aufweist. Es ist ein weiterer
Vorteil des Verfahrens, daß damit auch die N02-Konzentration des ungereinigten Abgases,
im allgemeinen 5 bis 10%, bei geeigneter Handhabung des Verfahrens vollständig abgebaut
werden kann.
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Die im Plasma gebildeten O-Atome werden, soweit sie nicht rekombinieren
zur Oxidation von im Abgas enthalten chemischen Elementen oder Verbindungen verwendet.
Vor
allem wird damit 502 zu S03 oxidiert. S03 reagiert schnell mit
dem H20-Dampf im Abgaskanal zu H2S04. Durch Zugabe von Ammoniak kann daraus Ammoniumsulfat
gebildet werden.
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Für die Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung vorgesehen,
die teilweise in den Abgaskanal eingebaut ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist einen Generator auf, der für die Erzeugung von N-Atomen vorgesehen ist. Über
Austrittsöffnungen in und gegen die Strömungsrichtung können die N-Atome direkt
aus dem Generator in das zu reinigende Abgas eingeleitet werden.
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Zur Erzeugung der N-Atome wird dem Generator Stickstoffgas von außen
zugeführt. Hierfür ist eine Zuleitung vorgesehen, in die eine Druckerhöhungsanlage
eingebaut ist, mit deren Hilfe das Stickstoffgas in den Generator gepreßt werden
kann. Zwei zum Abgaskanal parallel geführte Beipaßleitungen münden ebenfalls in
die Druckerhöhungsanlage. Über sie kann entweder ungereinigtes Abgas oder bereits
gereinigtes Abgas in den Generator eingeleitet werden. Über entsprechende Ventile
in den Zuleitungen ist die wahlweise Zuführung von Stickstoff, gereinigtem oder
ungereinigtem Abgas auf einfache Weise möglich. Die Vorrichtung verfügt des weiteren
über wenigstens zwei Meßvorrichtungen mit deren Hilfe die NOx~Konzentrationen, insbesondere
von NO und NO2, ermittelt werden können. Eine Meßvorrichtung befindet sich im Abgaskanal,
vorzugsweise zwischen der Verbrennungsmaschine bzw. der Verbrennungsanlage und dem
Generator für N-Atome. Die zweite Meßvorrichtung ist, in Strömungsrichtung des Abgases
gesehen, hinter dem Generator für N-Atome angeordnet. Als Meßvorrichtung kommt beispielsweise
ein Infrarot- oder UV-Spektrometer, ein Chemilumineszensdetektor oder ein Massenspektrometer
in
Frage. Die Meßsignale, insbesondere die Ausgangssignale dieser Meßvorrichtungen
werden einer Steuer- und Regeleinrichtung zugeführt, an deren Ausgang der Generator
für N-Atome angeschlossen ist. Wie bereits oben beschrieben werden die N-Atome in
Abhängigkeit von den Meßwerten, welche die Meßvorrichtungen ermittelt, erzeugt.
Wird hinter dem Generator eine NO-Konzentration ermittelt, die unterhalb eines meßbaren
Wertes liegt, so wird das Ausgangssignal der Steuer- und Regeleinrichtung nicht
verändert. Wächst die NO-Kozentration jedoch an, so wird durch ein von der Steuer-
und Regeleinrichtung ausgehendes Signal die Erzeugung der N-Atome vergrößert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert.
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In der einzigen Figur der Patentanmeldung ist die erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 zur Denitrierung von Abgasen schematisch dargestellt. Die Figur zeigt
einen Abgaskanal 2, der mit einer Verbrennungsmaschine bzw.
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einer Verbrennungsanlage 3 in Verbindung steht. Die Art der Anlage
3 ist für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung völlig unabhängig. Es ist
auch gleichgültig welche Brennstoffe der Anlage 3 zugeführt werden. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren kann unter Zuhilfenahme der ebenfalls erfindungsgemäßen Vorrichtung jedes
Abgas denitriert werden. Wie anhand der Figur zu sehen ist, ist innerhalb des Abgaskanals
2 direkt hinter dessen Anschluß an die Verbrennungsanlage bzw. die Verbrennungsmaschine
3 ein Generator für N-Atome 4 installiert. Dieser Generator 4 weist im Inneren eine
Plasmaquelle, einen Plasmajet, eine Anordnung zur Ausbildung einer Hochfrequenzentladung,
eine Mikrowellenquelle, eine Anordnung zur Ausbildung einer
Bogenentladung
oder Funkenentladung, eine Anordnung zur Ausbildung einer stillen Entladung oder
Koronaentladung, eine Anordung wie sie zur Erzeugung von Ozon eingesetzt wird oder
eine energiereiche Fotoquelle auf (hier nicht dargestellt). Der Generator besitzt
mindestens zwei vorzugweise mehrere Öffnungen 4A auf, über welche die N-Atome in
das zu reinigende Abgas eingeleitet werden können. Erfindungsgemäß ist eine Öffnung
4A in und eine zweite gegen die Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases 10
angeordnet. Über eine Zuleitung 11 kann dem Generator 4 Stickstoffgas zur Erzeugung
von N-Atomen zugeführt werden. Die Herstellung von N-Atomen aus dem gereinigten
oder ungereinigten Abgas ist ebenfalls möglich. Zu diesem Zweck ist eine Leitung
5, deren erstes Ende zwischen der Verbrennungsmaschine bzw.
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Verbrennungsanlage 3 und dem Generator 4 mit dem Inneren des Abgaskanals
2 in Verbindung steht, zur Zuleitung 11 geführt. Eine zweite Leitung, deren erstes
Ende, in Strömungsrichtung des Abgases 10 gesehen, hinter dem Generator 4 mit dem
Inneren des Abgaskanals 2 in Verbindung steht, ist ebenfalls zu der Zuleitung 11
geführt.
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Ein Vorratsbehälter 7, der Stickstoffgas und gegebenenfalls auch Zusatzgase
enthält, ist über eine Leitung 8 ebenfalls an die Zuleitung 11 angeschlossen. Die
drei Leitungen münden in eine Druckerhöhungsanlage 9, die der Eintrittsöffnung der
Zuleitung 11 vorgeschaltet ist. Mit Hilfe dieser Druckerhöhungsanlage 9 können die
gewünschten Gase in den Generator 4 gepreßt werden. In alle Leitungen 5,6 und 8
ist vor dem Eintritt in die Druckerhöhungsanlage 9 jeweils ein Ventil 5V, 6V und
8V eingebaut. Mit Hilfe dieser Ventile kann der Zustrom des jeweils gewünschten
Gases gewählt und die übrigen Leitungen abgesperrt werden. Eine Beimischung der
übrigen dem Generator 4 zuführbaren Gase ist mit diesen
Ventilen
erbenfalls möglich Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Meßvorrichtung 13
und 14 auf, die zur Ermittlung der NOx-Konzentration im ungereinigten und gereinigten
Abgas 10 und 12 vorgesehen sind. Die erste Meßvorrichtung 13 ist direkt hinter der
Verbrennungsmaschine bzw. Verbrennungsanlage 3 im Bereich des Abgaskanals 2 installiert.
Die zweite Meßvorrichtung 14 ist, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, hinter
dem Generator 4 angeordnet. Die Meßvorrichtungen 13 und 14 sind als IR-Spektrometer,
UV-Spektrometer, als Chemilumineszensdetektor oder als Massenspektrometer ausgebildet.
Mit ihrer Hilfe wird die NOx#Konzentrationen im ungereinigten Abgas 10 und/oder
im gereinigten Abgas 12 ermittelt. Die Meßwerte werden als Ausgangssignale einer
Steuer- und Regeleinrichtung 15 zugeführt. Mit Hilfe dieser Steuer- und Regeleinrichtung
15 werden die von den Meßvorrichtungen 13 und 14 empfangenen Meßsignale ausgewertet
und die Erzeugung der N-Atome in dem Generator 4 in entsprechender Weise geregelt.
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Zwischen dem Generator 4 und der ersten bzw. zweiten Meßvorrichtung
13,14 ist jeweils eine Zuleitung 16,17 vorgesehen, die in den Abgaskanal 2 mündet.
Über diese beiden Leitungen 16 und 17 kann ein Zusatzmittel beispielsweise eine
chemische Verbindung, insbesondere Ammoniak eingeleitet werden. Dieses reagiert
mit dem vorhandenen NOx zu Ammoniumnitrat. Selbstverständlich können über die beiden
Leitungen 16 und 17 auch andere Zusatzmittel in den Abgaskanal eingeleitet werden.
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Im Anschluß an die Meßvorrichtung 14 kann, in Strömungsrichtung des
Gases 11 gesehen, eine zusätzliche Waschan-
lage (hier nicht dargestellt)
innerhalb des Abgaskanals vorgesehen werden, mit deren Hilfe das eventuell nicht
vollständig abgebaute N02 ausgewaschen werden kann.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen
Vorrichtung wird nachfolgend beschrieben.
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Das aus der Verbrennungsmaschine bzw. der Verbrennungsanlage kommende
Abgas 10 sei mit NO beladen. In dieses Abgas wird eine definierte Menge an N-Atomen
eingeleitet. Sie wird in Abhängigkeit von der gemessenen NO-Konzentration gesteuert.
Beim Zusammentreffen von N-Atomen mit dem zu reinigenden Abgas laufen folgende chemische
Reaktionen ab, die anhand der Gleichungen (1), (2) und (3) dargestellt sind.
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Wie Gleichung 1 zeigt, reagieren die N-Atome mit Stickoxid zu Stickstoffmolekülen,
wobei atomarer Sauerstoff freigesetzt wird. Wie anhand von Gleichung (2) zu sehen
ist, rekombiniert dieser Sauerstoff zu molekularem Sauerstoff. M steht in Gleichung
(2) stellvertretend für ein beliebiges Molekül im Abgas, insbesondere für das am
meisten vorhandene N2. Ferner kommt es zur Oxidation anderer im Abgas enthaltender
Komponenten, die hier stellvertretend durch M gekennzeichnet sind. In Gleichung
(3) ist die Gesamtsumme der sich bildenden Stickstoffmoleküle und Sauerstoffmoleküle
dargestellt.
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Die Reaktion nach Gleichung (1)verläuft sehr schnell,
und
zwar um mindestens eine Größenordnung schneller als alle anderen im N2-02-System.
Die Reaktionen nach den Gleichungen (1 bis 3) verlaufen quantitativ.